Unity游戏帧同步技术分享篇【01】帧同步解决方案概述

前言:

1.0 帧同步原理与简介

A.什么是帧同步？
帧同步是一种前后端数据同步的方式，一般应用于对实时性要求很高的网络游戏。

其基本实现流程及思路可以概括为:

1.所有客户端每帧上传操作指令集到服务器;
2.服务端将这些操作指令集保存到对应帧序列字典，并记录帧号，并在下一帧将其广播给所有客户端;
3.客户端收到指令集后，分别按帧序，帧号进行执行指令集中的操作命令。
4.也就是：相同的时机(帧序列) + 相同的操作命令(指令集-确定性) = 相同的结果(帧同步)

B.帧同步解决方案的适用范围?
通常针对于RTS[即时战略]，ACT(多人实时格斗)，MOBA类的游戏类型提供帧同步解决方案建议。
上述类型的网络对战游戏的特点是：实时性要求极高，追求公平竞技，打击感。
综上所述类型的游戏开发时应该优先考虑帧同步解决方案，以追求一致性。

C.帧同步解决方案内容
帧同步游戏开发中，其核心原理实现的解决方案主要有三种：

• 目前帧同步主要处理方式为以下三种：
• 1.0 帧锁步[Lockstep]
• a.什么是帧锁步？
• 当客户端A存在网络延迟导致服务器第X帧收集不到A的第X帧输入指令包时，
• 服务器就需要等待所有客户端的X帧指令收集完成，才会下发X帧的所有客户端包数据以此保持同步，
• 也就意味着一人延迟，所有客户端都得等，显然这种同步概念不太适用于竞技性比较高的游戏，玩家体验会很差。
• 2.0 乐观帧
• a.什么是乐观帧？
• 其他乐观帧是在帧锁步的基础上进行改良，为了提高游戏体验，服务器不再要求必须收集所有客户端X帧的操作指令才进行分发，
• 而是每个客户端都进行本地输入指令快照存储，存储各自的输入指令(并带有帧号)。
• 如果A客户端因为延迟从第2帧(逻辑帧)开始丢包直到第5帧传输正常，那么服务器即使收不到A客户端2-5帧的输入指令还是继续分发，
• 直到第5帧再将A客户端2-5帧的本地快照一并分发出去，同时将其他客户端2-5帧的输入指令同步到本地客户端，当然丢失3帧的数据直接在一帧同步
• 到客户端会导致卡顿瞬移，所以A客户端需要进行加速操作执行指令操作，通常会做差值计算，通过补间动画的方式让同步更平滑。

3. 预测回滚
   每个客户端按照帧同步的方案推进着游戏，但是如果遇到服务器没能及时返回其他玩家操作的时候，给对应的玩家预测一个操作(复制该玩家最后一次操作),并继续推进游戏，如果在其后收到了服务器玩家关于这个人的操作，则把游戏回滚到预测开始的那一帧重新计算一遍。
   《守望先锋》便采取了这种模式，获得了很大效率的网络优化。预测回滚核心在于预测写入快照，适当时机进行回滚，然而每一帧都写入快照显然内存会吃紧，同时回滚机制会变得异常复杂。

• a.什么是预测回滚？
• 预测回滚是一种同步机制，是乐观帧的一种解决方案，上面提到的乐观帧有个最大的缺点是一旦A客户端丢包，那么其他客户端的A在丢包期间将不会有任何
• 操作指令同步,这样会影响游戏体验，所以这里引用预测机制，如果客户端在X帧没有指令数据那么服务器会给它在X帧一个预测的输入指令，当A客户端连接后，
• 服务器会对预测数据和真实丢失快照数据进行和解，回滚。
• b.如何和解？
• 下章详细介绍
• c.为什么推荐使用ECS架构做预测回滚？
• ECS框架可以很轻松的做到逻辑与渲染分离，所有的数据快照都存储在Component中，这将让回滚变得容易，
• 我们只需要将每帧的Component快照进行存储，我们就可以很容易的回滚到任何逻辑帧的状态。

D.网络解决方案

E.帧同步与状态同步

1. 两者有何区别？

2. 状态同步方案能否替代帧同步方案？

   这里我们引入ECS架构模式：
   

2.0 ECS框架

A.ECS架构概念:

B. 基本原理:
ECS系统的特征是将状态（由Component提供）与行为（由System系统）进行分离.在Unity传统编程中，我们利用MonoBehavior来编写游戏 核心思想：将数据和行为分开。即逻辑与渲染分离 !·

1.在Unity中，我们将MonoBehavior组件放到GameObject中。但Entity系统中不同，Component被设计为附加到Entity上。·
2.使用一个pool来包含所有Entity。通过pool我们可以看到所有的entity。·
3.我们可以对entity进行分组，分组叫做group。之后我们可以通过指定的规则来区分不同的group，·
4.这个规则叫做matcher，通过matcher可以方便地快速获得指定类型的entity。

C. ECS相关链接:
游戏开发ECS设计模式初探
守望先锋 网络架构设计分享
Unity ECS简介
UnityECS高性能探索

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3.0 定点数

1.什么是定点数?为什么要使用定点数?

定点数是指在计算机中小数点的位置固定的数。相反小数位数不固定的则是浮点数,例如float,double数据类型，它们属于高精度单双浮点数类型，由于不同机器CPU对浮点数的处理结果会存在偏差，再加之网路延迟影响，由此而带来的蝴蝶效应影响，终会导致不相同的计算结果，导致逻辑不可控，因此为了数据的完全的一致，应采用定点数替代浮点数。

• 由此我们发现帧同步网络服务器只负责收发指令数据，不进行战斗逻辑的计算。那么由于客户端性能算力不一样，导致浮点数数据类型(float(单),double(双))不再适用，
• 因为浮点数带有精度，会导致每个客户端的计算结果会存在偏差，从而导致不同步，进而产生蝴蝶效益导致正常战斗完全不同步。所以这里引入定点数。
• 定点数专为解决浮点数精度差，主要实现方式有两种:
• a.尾数截断
• 可以到这里去看看这里帧同步项目的实例,注明:这是早期Photon的TrueSync经过大佬完善后的实例，有参考价值，其中用到就是[尾数截断]实现定点数
• b.移位运算
• ps:
• 左移操作时将运算数的二进制码整体左移指定位数，左移之后的空位用0补充
• 右移操作是将运算数的二进制码整体右移指定位数，右移之后的空位用符号位补充，如果是正数用0补充，负数用1补充
• 通过移位操作我们可以消除精度，至于移位数我觉得(16位)已经完全可以满足需求。
• 注:65536是右移位16的结果
• 将浮点数右移16位得到一个long类型，long类型赋值给Fixed类型编码,便得到一个定点数。
• var l= (long)unchecked(value * 65536f)
• public static Fixed FromRaw(long value)
  {
  Fixed r;
  r.RawValue = value;
  return r;
  }
• 同样将反向转换只需左移位操作即可:
• public static explicit operator float(Fixed value)
  {
  return (float)value.RawValue / 65536f;
  }

这里为大家提供一个定点数库(采用第一种方式，通过移位运算精确)：
帧同步开发-【标准定点数库】[FP] [FPMath] [FPMatrix2x2] [FPQuaternion] [FPVector2][FPVector3]

下一篇博客，Unity游戏帧同步技术分享篇【02】帧同步物理引擎解决方案

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